Mikrovlnná hypertermie pro léčbu nádorů hlavy a krku řízená neinvazivním měřením změny teploty na bázi UWB radaru

Abstract

Dizertační práce je zejména zaměřena na mikrovlnnou hypertermii pro léčbu nádorů hlavy a krku. Dizertační práce je rozdělena na tři části. Každá z těchto částí představuje originální vědecký přínos k danému tématu. Tyto části jsou následující- Mikrovlnná hypertermie v oblasti hlavy a krku s definováním způsobu návrhu efektivního aplikátorového systému, Studie proveditelnosti neinvazivního měření změny teploty pomocí širokopásmového radaru pro využití v mikrovlnné hypertermii, Kombinace navrženého mikrovlnného hypertermického systému a neinvazivního měření změny teploty v oblasti hlavy a krku. První část dizertační je věnována návrhu nového mikrovlnného hypertermického aplikátoru pro léčbu v oblasti hlavy a krku. Provedli jsme parametrickou studii fokuzace mikrovlnné energie do cíle (tumoru) na frekvenci 434 MHz v této specifické oblasti. Na základě získaných znalostí jsme navrhli mikrovlnný aplikátor, který je schopen efektivně fokusovat energii do nádoru. Prototyp mikrovlnného aplikátoru byl sestrojen, jeho základní parametry byly změřeny a úspěšně porovnány s výsledky numerických simulací. Druhá část dizertační práce je věnována výzkumu nového přístupu monitorace teploty pomocí širokopásmového radaru. Odvodili jsme analytický vztah mezi intenzitou vyslaného signálu a odraženého signálu od oblasti se zvýšenou teplotou. Na základě odvozeného vztahu jsme provedli numerické studie pomocí zjednodušeného Masonova grafu. Dospěli jsme k závěru, že vztah mezi intenzitou odraženého signálu a velikostí změny teploty je téměř lineární. Všechny předpoklady byly potvrzeny několika námi provedenými experimenty s využitím reálného širokopásmového radaru (ve spolupráci s Technickou univerzitou v Ilmenau, Německo). Dalšími numerickým simulacemi a měřením jsme demonstrovali, že tato metoda má dostatečné prostorové i teplotní rozlišení pro využití v mikrovlnné hypertermii. Ve třetí části dizertační práce jsme navrhli možné rozložení 8 širokopásmových antén a čtyř aplikátorů pro mikrovlnnou hypertermii a detekci změny teploty v oblasti hlavy a krku. Z provedených numerických simulací jsme zjistili, že širokopásmový radar je v této oblasti schopen detekovat změny až do vzdálenosti 7 centimetrů.

This dissertation thesis is mainly focused on microwave hyperthermia for treatment of head and neck tumors. This thesis is divided into three parts. Each part represents original scientific contribution to the thesis topic. These parts are as follows: Microwave hyperthermia in head and neck region with definition of the main procedure for the effective multi-applicator proposal, Feasibility study of the non-invasive temperature change detection based on UWB radars for usage in microwave hyperthermia, Combinations of the proposed microwave hyperthermia system and non-invasive differential temperature measurement system based on UWB radar for hyperthermia treatment of head and neck region. The first part of the dissertation thesis deals with the design of new microwave hyperthermia applicator for treatment in area of head and neck. We carried out a parametrical numerical study of possibilities of the microwave energy focusing the target (tumor) on the frequency 434 MHz using waveguide applicators. The prototype of applicator system was realized and main parameters were measured and compared with the EM simulations. The second part of this dissertation thesis concerns the investigation of novel approach of temperature monitoring using UWB radar. We derived analytical relationship between transmitted signal intensity and reflected signal intensity from the heated area. Based on this derived relationship we performed set of numerical studies based on a simplified Mason graphs. We conclude that the expected relationship between reflected signal intensity and temperature change is of a linear character. All assumptions were verified by several experiments with a real UWB radar system (in cooperation with TU Ilmenau, Germany). We proved that the UWB radar is able to detect temperature changes in the tissue remotely. According to the numerical simulation results we demonstrated that this method is of sufficient spatial and temperature resolution. In the third part of this thesis we proposed possible treatment setup which consists of the hyperthermia system and 8 UWB bowtie antennas attached to the patient body. We proved numerically that it is possible to detect the changes up to distance 7 cm from antennas.